致密油水平井自噴階段合理工作制度研究

苗國晶（大慶油田有限責任公司第九采油廠）

2013年以來，采油九廠投產的致密油水平井均為體積壓裂投產，具有水平段長、壓裂規模大等特點。為了實現自噴生產階段裂縫不出砂、保持地層壓力、提高致密油水平井產量的目標[1]，開展了自噴水平井科學生產制度研究。

1 自噴水平井“四階段”生產規律建立

通過對A 區塊6 口水平井自噴階段的生產壓力和產量數據進行擬合求導分析[2]認為，自噴井生產分為初期返排、低壓自噴、間歇自噴、下泵生產4 個階段。每個階段地層壓力變化不同，生產目標不同，合理生產制度確定方法不同。

1.1 初期返排階段

通過總結致密油A 區塊6 口井自噴生產階段生產規律，發現壓裂水平井初期壓力及產液均會經歷快速下降的過程[3]。例如A-平1 井，通過對初期返排段套壓與時間的變化曲線（圖1）擬合求導，當時間X 為23 天時，導數dy 為0，壓力變化趨于平緩，此時初期返排階段結束。A區塊部分水平井初期返排階段生產情況見表1。

圖1 A-平1井不同自噴階段套壓與時間的變化曲線

表1 A區塊部分水平井初期返排階段生產情況

1.2 低壓自噴階段

低壓自噴階段壓力與產液下降速度緩慢，持續時間長，日產液均低于最大臨界排量。A-平1井低壓自噴階段套壓與時間的變化曲線見圖1，部分水平井低壓自噴階段生產情況見表1。

1.3 間歇自噴階段及下泵生產階段

間歇自噴階段油井壓力及產液相對低壓自噴階段進一步降低。由圖1可知，隨著時間延長，油井壓力降到一定程度，間歇無法恢復自噴，進入下泵生產階段。

2 “四階段”工作制度優化方法

2.1 建立裂縫出砂臨界流量模型

初期返排階段管理的主要目標為防止裂縫出砂，為此，需要建立裂縫出砂臨界流量模型[4]。

支撐劑從裂縫運動到井筒時存在兩種運動形式：一是懸浮于壓裂液中而隨壓裂液一起運動；二是在流體沖擊力的作用下由裂縫滾動到井眼。兩種運動模式中，滾動屬臨界條件最低的模式，故采用滾動模式對支撐劑進行力矩平衡力學分析。支撐劑在裂縫中受力示意圖如圖2所示。

圖2 支撐劑在裂縫中受力示意圖

當砂粒受到的液體沖擊力矩大于啟動力矩時，砂粒開始滾動，此時液體流速為出砂臨界流速，即

式中：ρs為支撐劑密度，kg/m3；ρ為壓裂液密度，kg/m3；ds為支撐劑粒徑，mm；g為重力加速度，m/s2；Vc為臨界流速，m/s。

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同時，假設裂縫為標準矩形，支撐劑回流臨界流量可由下式求得：

式中：QC為現場返排量，m3/h；hf為儲層厚度，m；wf為裂縫寬度，m；φp為支撐剖面孔率，%；Bo為體積系數。

以A-平1井為例，根據A區塊支撐劑及裂縫參數，通過臨界流速計算公式可求得臨界出砂流速為0.06 m/s。結合該井裂縫條數、射開厚度等參數計算出臨界流量為4.9 m3/h，即壓后初期最大返排速度應控制在118 m3/d以內。A-平1井臨界返排計算見表2。

在明確了最大返排速度以后，需要通過油嘴來實現不同的井口油壓下所需的臨界流量，根據伯努利、連續性方程確定油嘴的大小。

伯努利方程：

連續性方程：

表2 A-平1井臨界返排量計算

根據以上方法，初步繪制了不同壓力與油嘴對應排量圖版（圖3）。

圖3 不同壓力與油嘴對應排量圖版

2.2 低壓自噴階段合理工作制度確定

在低壓自噴階段管理的主要目標為合理利用地層能量提高采油速度。根據單井壓力情況，計算對應的油嘴直徑，確定該階段生產制度。

根據工程流體力學原理[5]，當油嘴后壓力與油嘴前壓力比小于0.5時，即嘴前壓力是嘴后壓力的2倍時，流體在油嘴處的流動達到臨界流動，此時流體流量只與嘴前壓力有關。

嘴前壓力Pt與油嘴流量q關系式為式

中：Pt為油嘴前壓力，MPa；Rn為變量；q為油嘴流量，m3/h；dm為油嘴直徑，m；c為常數。

由公式（5）可知，油嘴直徑確定時，油井產量和嘴前壓力呈線性關系，由此可得出不同直徑油嘴下壓力與產量變化關系圖（圖4），從而確定不同井口壓力下油嘴直徑。

2.3 間歇自噴階段合理工作制度確定

在間歇自噴階段管理的主要目標是合理利用地層能量提高采油速度。理論分析及現場試驗表明，將被動間歇自噴轉為主動間歇自噴可提高油井產量[6]，結合低壓自噴階段研究結論得出間歇自噴須滿足以下條件：24 h 內壓力恢復拐點值大于2 倍回壓。

油井是否需要間歇自噴生產，需要通過壓力恢復速度和壓力穩定值來確定。通過對A區塊壓力恢復試驗得出該區塊滿足間歇自噴的條件：一是壓力恢復速度超過0.05 MPa/2 h；二是壓力穩定值大于1.6 MPa（回壓0.8 MPa）。

圖4 不同直徑油嘴下壓力與產量變化關系圖

為了摸索間歇自噴生產制度，在A區塊開展了壓力恢復試驗。2 口井被動自噴與主動自噴效果對比（表3）證明，主動間歇自噴采油速度高于被動間歇自噴。

2.4 下泵時機判斷

與確定間歇自噴生產相同，通過壓力恢復試驗判斷油井壓力能否達到回壓的2倍，且壓力恢復速度能否超過0.05 MPa/2 h。若不能滿足以上兩個條件，該井需要下泵生產。由圖5可知，從壓力恢復試驗可判斷該井此時需要下泵生產。

圖5 A-平4井下泵前壓力恢復曲線

3 現場應用

截至2019 年，在42 口致密油水平井上應用“四階段”自噴生產管理制度，現場未發現裂縫出砂。執行間歇自噴制度的4 口井中，單井日增油5.7 t，累計少影響產油236.5 t，每噸原油利潤2 249 元，創效益53.18萬元。

表3 2口井被動自噴與主動自噴效果對比

4 結論與認識

1）分四個階段確定壓裂水平井合理自噴工作制度，為科學指導大規模壓裂水平井自噴生產管理提供了理論基礎。

2）根據裂縫出砂模型及工程流體力學計算合理的初期返排和低壓自噴階段的油嘴大小，能夠實現壓裂水平井自噴階段不出砂和保持地層能量的同時提高采油速度的開發目標。

3）通過壓力恢復試驗法確定的下泵條件，為及時安全下泵提供了現場指導。